ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- Cao Vũ Hưng NGHIÊN CỨU SỰ CHUYỂN HÓA CỦA PAHs VÀ MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG TRONG QUÁ TRÌNH ỔN ĐỊNH BÙN THẢI SÔNG KIM NGƯU KẾT H
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
Cao Vũ Hưng
NGHIÊN CỨU SỰ CHUYỂN HÓA CỦA PAHs VÀ MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG TRONG QUÁ TRÌNH ỔN ĐỊNH BÙN THẢI SÔNG KIM NGƯU KẾT HỢP RÁC HỮU CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN YẾM KHÍ NÓNG
LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC
Hà Nội - 2015
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
Cao Vũ Hưng
NGHIÊN CỨU SỰ CHUYỂN HÓA CỦA PAHs VÀ MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG TRONG QUÁ TRÌNH ỔN ĐỊNH BÙN THẢI SÔNG KIM NGƯU KẾT HỢP RÁC HỮU CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN YẾM KHÍ NÓNG
LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Bùi Duy Cam
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện Các kết quả nghiên cứu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được ai công
bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác
TÁC GIẢ LUẬN ÁN
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới PGS.TS Bùi Duy Cam người đã giao đề tài, trực tiếp chỉ bảo cho tôi định hướng nghiên cứu, kiến thức chuyên môn và hơn hết là truyền cho tôi lòng đam mê khoa học và tinh thần tự giác trong học tập và nghiên cứu
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Trịnh Lê Hùng người đã dạy cho tôi các kiến thức mới, cho tôi nhiều lời khuyên bổ ích cũng như hỗ trợ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận án
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.S Vũ Thị Bích Ngọc người đã sát cánh cùng tôi trong giai đoạn gian nan nhất của quá trình thực hiện luận án
Tôi xin cảm ơn quỹ học bổng Pony Chung, tập đoàn Công nghiệp Hyundai, Hàn Quốc đã hỗ trợ kinh phí như là sự động viên to lớn giúp tôi vượt qua khó khăn để hoàn thành luận án
Tôi xin cảm ơn các anh chị em đồng nghiệp của Phòng thí nghiệm và Đào tạo phân tích môi trường, Trung tâm Nghiên cứu Đào tạo Việt Nam - Hàn Quốc, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường đã giúp tôi phân tích mẫu nhiều mẫu nghiên cứu
Tôi xin cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học
Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, các thầy cô và các bạn nghiên cứu sinh thuộc phòng Hóa học Môi trường đã giúp đỡ, hỗ trợ tôi trong suốt khoảng thời gian học tập và nghiên cứu tại đây
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè, những người luôn ở bên tôi, giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận
án này
TÁC GIẢ LUẬN ÁN Cao Vũ Hưng
Trang 5MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
DANH MỤC HÌNH 3
DANH MỤC BẢNG 5
CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6
MỞ ĐẦU 7
Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 10
1.1 Khái quát về bùn thải đô thị và thực trạng quản lý bùn thải đô thị tại Hà Nội 10
1.1.1 Nguồn phát sinh 10
1.1.2 Đặc điểm của bùn thải đô thị 11
1.1.3 Các phương pháp xử lý bùn thải đô thị 13
1.1.4 Thực trạng quản lý bùn thải đô thị tại Hà Nội 17
1.2 Kim loại nặng và PAHs trong bùn thải đô thị 19
1.2.1 Kim loại nặng 19
1.2.2 Các hợp chất hữu cơ đa vòng thơm (PAHs) 24
1.3 Phương pháp lên men phân hủy yếm khí trong xử lý bùn thải đô thị và rác thải hữu cơ 30
1.3.1 Cơ sở của phương pháp lên men phân hủy yếm khí 31
1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy yếm khí 33
1.3.3 Các kỹ thuật ứng dụng phương pháp lên men phân hủy yếm khí trong xử lý bùn thải đô thị và rác thải hữu cơ 36
1.3.4 Sự phân hủy PAHs trong quá trình ổn định bùn thải đô thị bằng phương pháp lên men yếm khí 41
1.3.5 Sự chuyển hóa của kim loại nặng trong quá trình ổn định bùn thải đô thị bằng phương pháp lên mem yếm khí 46
Chương 2: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 50
2.1 Đối tượng và nội dung nghiên cứu 50
2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 50
2.1.2 Nội dung nghiên cứu 52
2.2 Phương pháp nghiên cứu 55
2.2.1 Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu 55
2.2.2 Phương pháp lấy mẫu thực địa 55
2.2.3 Phương pháp thực nghiệm 56
Trang 62.2.4 Phương pháp phân tích 61
2.2.5 Hóa chất sử dụng 63
2.2.6 Phương pháp xử lý số liệu nghiên cứu 64
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 65
3.1 Đặc điểm ô nhiễm kim loại nặng và PAHs trong bùn thải sông Kim Ngưu 65
3.1.1 Đặc điểm hóa lý của bùn thải sông Kim Ngưu 65
3.1.2 Kim loại nặng trong bùn thải sông Kim Ngưu 66
3.1.3 PAHs trong bùn thải sông Kim Ngưu 72
3.1.4 Đánh giá khả năng sử dụng bùn thải sông Kim Ngưu cho cải tạo đất nông nghiệp 79
3.2 Nghiên cứu xác định điều kiện thích hợp trong quá trình ổn định bùn thải kết hợp rác hữu cơ bằng phương pháp lên men yếm khí nóng 81
3.2.1 Sự thay đổi pH và độ dẫn điện (EC) theo thời gian 82
3.2.2 Khả năng loại bỏ COD tổng (CODt) 84
3.2.3 Khả năng loại bỏ tổng chất rắn và chất rắn bay hơi 85
3.2.4 Khả năng sinh biogas và thành phần khí CH4 87
3.2.5 Sự giảm hàm lượng Nitơ tổng (TN) và N-NH4 90
3.2.6 Sự giảm hàm lượng Phốt pho tổng (TP) và P-PO4 92
3.3 Sự chuyển hóa của kim loại nặng và PAHs trong quá trình ổn định bùn thải kết hợp rác hữu cơ bằng phương pháp lên men nóng 94
3.3.1 Các thông số hóa lý của quá trình lên men yếm khí 94
3.3.2 Sự tích tụ và vận chuyển của kim loại nặng 99
3.3.3 Sự phân hủy của các hợp chất PAHs 111
3.4 Đề xuất quy trình và đánh giá khả năng áp dụng xử lý bùn thải sông Kim Ngưu kết hợp rác hữu cơ 118
3.4.1 Đề xuất quy trình xử lý 118
3.4.2 Đánh giá khả năng áp dụng mô hình đề xuất xử lý bùn thải sông Kim Ngưu kết hợp rác hữu cơ 120
KẾT LUẬN 126
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 128
TÀI LIỆU THAM KHẢO 129
PHỤ LỤC 141
Trang 7DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Các giai đoạn trong quá trình phân hủy yếm khí 32
Hình 1.2 Quy trình xử lý bằng kỹ thuật lên men yếm khí khô 38
Hình 1.3 Quy trình xử lý bằng kỹ thuật lên men yếm khí ướt một giai đoạn 39
Hình 1.4 Quy trình xử lý bằng kỹ thuật lên men yếm khí ướt hai giai đoạn 40
Hình 1.5 Quá trình thoái biến của phenanthrene trong điều kiện yếm khí bởi vi khuẩn khử sunfat 43
Hình 2.1 Sơ đồ vị trí khu vực lựa chọn nghiên cứu 52
Hình 2.2 Mô tả hệ thống xử lý lên men yếm khí nóng 56
Hình 2.3 Sơ đồ phương pháp thực nghiệm nghiên cứu xử lý kết hợp bùn thải và rác hữu cơ 58
Hình 2.4 Sơ đồ phương pháp thực nghiệm nghiên cứu sự tích tụ và vận chuyển của kim loại nặng và phân hủy của PAHs 59
Hình 3.1 Hàm lượng kim loại nặng tại các điểm khảo sát 68
Hình 3.2 Hàm lượng kim loại nặng trung bình trong bùn thải sông Kim Ngưu 69
Hình 3.3 Hàm lượng PAHs với số lượng vòng thơm khác nhau trong bùn thải sông Kim Ngưu 73
Hình 3.4 Tỷ lệ hàm lượng PAHs đặc trưng trong mẫu bùn thải sông Kim Ngưu 77
Hình 3.5 So sánh hàm lượng PAHs trong bùn thải sông Kim Ngưu với các giá trị giới hạn qui định 78
Hình 3.6 Sự thay đổi giá trị pH của các thí nghiệm theo thành phần đầu vào và theo thời gian 82
Hình 3.7 Sự thay đổi giá trị EC của các thí nghiệm theo thành phần đầu vào và theo thời gian 83
Hình 3.8 Sự thay đổi giá trị CODt của các thí nghiệm theo thành phần đầu vào và theo thời gian 84
Hình 3.9 Khả năng loại bỏ CODt trong các thí nghiệm theo thành phần đầu vào khác nhau 85
Hình 3.10 Khả năng loại bỏ TS và VS theo thành phần đầu vào khác nhau 86
Hình 3.11 Thể tích biogas sinh ra trong các thí nghiệm với thành phần đầu vào khác nhau theo thời gian 87
Hình 3.12 Tỷ lệ thành phần trung bình của các khí trong biogas 88
Hình 3.13 Thành phần khí H2S trung bình trong biogas của các thí nghiệm 89
Hình 3.14 Sự thay đổi giá trị Nitơ tổng theo thời gian của các thí nghiệm với thành phần đầu vào khác nhau 91
Hình 3.15 Sự thay đổi giá trị N-NH4 theo thời gian của các thí nghiệm với thành phần đầu vào khác nhau 91
Trang 8Hình 3.16 Sự thay đổi giá trị Phốt pho tổng theo thời gian của các thí nghiệm
với thành phần đầu vào khác nhau 93
Hình 3.17 Sự thay đổi giá trị P-PO4 theo thời gian của các thí nghiệm với thành đầu vào khác nhau 93
Hình 3.18 Sự thay đổi giá trị pH theo thời gian 95
Hình 3.19 Sự thay đổi giá trị EC theo thời gian 96
Hình 3.20 Sự thay đổi giá trị CODt của hỗn hợp sinh khối theo thời gian 96
Hình 3.21 Sự thay đổi của TS, VS theo thời gian trong quá trình phân hủy yếm khí 97
Hình 3.22 Thể tích biogas sinh ra trong quá trình phân hủy yếm khí 98
Hình 3.23 Thành phần biogas theo thời gian 98
Hình 3.24 Tương quan giữa sự gia tăng của hàm lượng kim loại nặng sau ổn định và hàm lượng kim loại nặng trong thành phần nguyên liệu đầu vào 100
Hình 3.25 Hàm lượng kim loại nặng trước và sau quá trình ổn định 100
Hình 3.26 Sự thay đổi hàm lượng kim loại nặng trong quá trình ổn định bùn thải 101
Hình 3.27 Tương quan hàm lượng Cd trong chất rắn và trong dung dịch ngâm rửa 104
Hình 3.28 Tương quan hàm lượng Cr trong chất rắn và trong dung dịch ngâm rửa 104
Hình 3.29 Tương quan hàm lượng Cu trong chất rắn và trong dung dịch ngâm rửa 105
Hình 3.30 Tương quan hàm lượng Ni trong chất rắn và trong dung dịch ngâm rửa 105
Hình 3.31 Tương quan hàm lượng Pb trong chất rắn và trong dung dịch ngâm rửa 106
Hình 3.32 Tương quan hàm lượng Zn trong chất rắn và trong dung dịch ngâm rửa 106
Hình 3.33 Lượng kim loại nặng chuyển vào dung dịch ngâm rửa theo thời gian 107
Hình 3.34 Lượng kim loại nặng chuyển vào pha nước trong 18 ngày đầu và thời gian sau của quá trình ổn định 108
Hình 3.35 Sự phân hủy các hợp chất PAHs trong quá trình ổn định 112
Hình 3.36 Tỷ lệ phân hủy các hợp chất PAHs 113
Hình 3.37 Hàm lượng PAHs trước và sau ổn định 114
Hình 3.38 Sự phân hủy của PAHs theo thời gian khi sử dụng Tween 80 116
Hình 3.39 Khả năng phân hủy của các hợp chất PAHs khi sử dụng Tween 80 116
Hình 3.40 Quy trình đề xuất xử lý bùn thải sông Kim Ngưu kết hợp rác hữu cơ 119
Trang 9DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Lượng bùn thải đô thị tại Hà Nội năm 2012 18
Bảng 1.2 Kim loại nặng trong nước thải của một số loại hình công nghiệp 20
Bảng 1.3 Tính chất vật lý của một số PAHs 28
Bảng 1.4 Tổng hợp các kỹ thuật áp dụng trong phương pháp lên men yếm khí 37
Bảng 2.1 Tọa độ của các điểm nghiên cứu 52
Bảng 2.2 Thành phần nguyên liệu đầu vào trong các thí nghiệm 58
Bảng 2.3 Thành phần nguyên liệu đầu vào trong thực nghiệm nghiên cứu sự tích tụ, vận chuyển của KLN và phân hủy của PAHs 60
Bảng 3.1 Một số chỉ tiêu hóa lý của bùn thải sông Kim Ngưu 65
Bảng 3.2 Hàm lượng KLN trung bình trong mẫu bùn tại các điểm khảo sát với QCVN: 03/2008/BTNMT 66
Bảng 3.3 So sánh hàm lượng KLN trong bùn thải sông Kim Ngưu với QCVN: 03/2008/BTNMT 67
Bảng 3.4 So sánh hàm lượng kim loại nặng trong bùn thải sông Kim Ngưu với kết quả khảo sát đã thực hiện trước tại đây và một số khu vực khác 69
Bảng 3.5 Hàm lượng PAHs trung bình của bùn thải ở các điểm khảo sát 72
Bảng 3.6 So sánh hàm lượng PAHs trong bùn thải sông Kim Ngưu với kết quả khảo sát bùn thải tại một số khu vực khác 74
Bảng 3.7 Tốc độ sinh khí trung bình và thành phần biogas 88
Bảng 3.8 Xác định hiệu suất sinh khí CH4 90
Bảng 3.9 Hàm lượng một số kim loại nặng trước và sau ổn định bùn thải 99
Bảng 3.10 Hàm lượng kim loại nặng gia tăng trong quá trình ổn định 101
Bảng 3.11 Lượng kim loại nặng chuyển vào dung dịch ngâm rửa theo thời gian 107
Bảng 3.12 Tương quan lượng kim loại nặng chuyển vào pha nước trong 18 ngày đầu và thời gian sau của quá trình ổn định 108
Bảng 3.13 Lượng PAHs phân hủy trong quá trình ổn định 111
Bảng 3.14 Thông số hóa lý quá trình phân hủy yếm khí với Tween 80 115
Bảng 3.15 Lượng PAHs phân hủy khi sử dụng Tween 80 115
Bảng 3.16 Hàm lượng kim loại nặng trong hỗn hợp bùn thải và rác hữu cơ qua các giai đoạn của quy trình xử lý 121
Bảng 3.17 Một số quy định hàm lượng kim loại nặng tối đa cho phép đối với phân bón hữu cơ 122
Bảng 3.18 Tổng hàm lượng PAHs trong hỗn hợp qua các công đoạn xử lý 124
Trang 10CÁC CHỮ VIẾT TẮT
hóa học
ký khí kết hợp detector ion hóa ngọn lửa
tử cao
Spectrometry: Phổ phát xạ plasma ghép cặp cảm ứng
thấp
cơ đa vòng thơm
hữu cơ đa vòng thơm
hưởng
Cục bảo vệ môi trường liên bang Hoa Kỳ
Trang 11TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Nguyễn Minh Giảng, Nguyễn Thị Hằng, Phan Thị Phương Hoa, Đinh
Thúy Hằng (2012), “Phân lập vi khuẩn ôxi hóa sunfua trong điều kiện
hiếu khí và kỵ khí”, tạp chí công nghệ sinh học, 10(2), tr 387-392
[2] Thái Mạnh Hùng, Tạ Mạnh Hiếu, Phạm Văn Ánh, Nguyễn Hữu Tuyên,
Nguyễn Việt Anh, Đinh Thúy Hằng (2012), “Động học của quá trình tạo biogas và quần thể methanogen trong bể lên men kỵ khí ở nhiệt độ cao xử
lý kết hợp bùn thải và rác hữu cơ” tạp chí công nghệ sinh học, 10(1), tr
179-187
[3] Nghiêm Ngọc Minh, Cung Thị Ngọc Mai (2010), “Hợp chất hydrocarbon
đa nhân (PAHs) và khả năng phân hủy sinh học bởi vi khuẩn”, Tạp chí
công nghệ sinh học, 8(1), tr 1-11
[4] Hoàng Nhâm (1994), Giáo trình hóa học vô cơ, Nhà xuất bản giáo dục
[5] Võ Hồng Thi (2011), “Quá trình phân hủy chất hữu cơ giàu mỡ trong
điều kiện kỵ khí”, Tạp chí công nghệ sinh học, 9(1), tr 1-11
[6] Mai Anh Tuấn, Nghiêm Ngọc Minh, Đặng Thị Cẩm Hà, (2004), “Nghiên
cứu phân loại và khả năng sử dụng hydrocarbon thơm đa nhân,
dibenzofuran của chủng XKDN19”, Tap chí công nghệ sinh học, 2(3), tr
389-396
Tiếng Anh
[7] Abdollahi S., Raoufi Z., Faghiri I., Savari A., Nikpour Y., Mansouri A.,
(2013), Contamination levels and spatial distributions of heavy metals and PAHs in surface sediment of Imam Khomeini Port, Persian Gulf,
Iran”, Marine Pollution Bulletin, 71, pp 336-345
[8] Alloway B.J., Jacson A.P., (1991), “The behavior of heavy metal in
sewage sludge amended soil”, The Science of the Total Environment,
100, pp 151-176
Trang 12[9] Ambrosoli R., Petruzzelli L., Minati J.L., Marsan F.A., (2005),
“Anaerobic PAH degradation in soil by a mixed bacterial consortium
under denitrifying conditions”, Chemosphere, 60(9), pp 1231-1236
[10] Amir S., Hafidi M., Merlina G., Hamdi H., Revel J.C., (2005), “Fate of
polycyclic aromatic hydrocarbons during composting of lagooning
sewage sludge”, Chemosphere, 58, pp 449-458
[11] Anderson R.T., Lovely D.R., (1999), “Naphthalene and benzene
degradation under Fe(III)-reducing conditions in petroleum contaminated
aquifers”, Biorem J., 3, pp 121-135
[12] Appels L., Baeyens J., Degreve J., Dewil R., (2008), “Principles and
potential of the anaerobic digestion of waste-activated sludge”, Progress
in Energy and Combustion Science, 34, pp 755-781
[13] Aryal, R.K., Furumai, H., Nakajima, F., Boller, M., 2006,
“Characteristics of particleassociated PAHs in a first flush of a highway
runoff”, Water Sci Technol., 53, pp 245-251
[14] Babel S., Dacera D.M., (2006), “Heavy metal removal from
contaminated sludge for land application: A review”, Waste
Management, 26, pp 988-1004
[15] Bach Quang Dung (2004), “Enhancement of intrinsic bioremendiation of
PAHs-contaminated anoxic estuarine sediment by the addition of
biostimulating agents”, Master thesis, Myongij university Korea
[16] Barnabas I.J., Dean J.R., Fowlis I.A., Owen S.P., (1995), “Extraction of
Polycyclic Aromatic Hydrocarbons from highly contaminated soil using
micro-way energy”, Analyst, 120, pp 1897-1904
[17] Bilitewski B., Haerdtle G., Marek K., Waste Management, Springer,
1994
[18] Boll E.S., Christensen J.H., Holm P.E., (2008), Quantification and source
identification of polycyclic aromatic hydrocarbons in sediment, soil, and
water spinach from Hanoi, Vietnam, Journal of Environmental